Presión Termodinámica

“Nada en Biología tiene sentido a menos que se entienda en términos de Evolución” T. Dobzhansky

Teorías actuales de la Evolución Molecular Teoría Neutral (Kimura) La gran mayoría de cambios evolutivos a nivel molecular son originados neutralmente al asar y fijados por deriva genética sin someterse a una selección natural. Teoría Seleccionista Los cambios evolutivos a nivel molecular son seleccionados para mantener o mejorar el grado de adaptación. Teoría Mutacionalista Los cambios evolutivos a nivel molecular obedecen a presiones mutacionales las cuales pueden variar entre y dentro de especies.

Una manera simple de entender la evolución…

DATOS: Alineamiento de secuencias de genes Cómo podemos transformar esta información a un contexto histórico?

“Los objetos vivientes están compuestos por moléculas inertes” Albert Lehninger

El problema es: Cómo estas moléculas confieren la admirable combinación de características que denominamos vida??? Cómo es que un organismo vivo aparece ser más que la suma de sus partes inanimadas???

La Física procura entender y reducir la Biología en leyes fundamentales Pero este es un problema muy complicado !

Las leyes Físicas podrán afectar la dinámica del proceso de replicación del ADN?

Hipótesis de la Presión Termodinámica ADN+ADN polimerasa tratados como un sistema macrocanónico Uso de la distribución de Boltzmann para calcular la probabilidad de incorporación de un nucleótido particular durante la replicación del ADN

Durante el proceso de reparación del ADN tambien estaría actuando la presión termodinámica…

Energía Electrostática de una vecindad de 5 pb 1 2 3 4 5 ......... 1st strand position 5’ A - G - T - C - A 3’ 3’ T - C - X - G - T 5’ 10 9 8 7 6 ......... 2nd strand position X : any of the 4 nucleotides E 12 = 1 [ p1 . p2 -- 3 ( r.p1 )( r.p2 ) ] 4pKeo r 3 r 5

Energía Magnetostática entre nucleótidos MA = -134.1 x 10-24 C m2 /s EAA = -0,56642 x 10-4 eV EAA= -0,481 x 10-3 eV

Energía de Puente de Hidrógeno entre Pares de Watson-Crick A – T -0.34 eV G – C -0.43 eV

Interacciones tipo Puente de Hidrógeno en ‘missmatches’

Energía tipo Puente de Hidrógeno entre pares de bases canónicas y no-canónicas en vacío (k=1) (eV) (Kcal/mol) A-T = -0.34 -7.84 G-C = -0.44 -10.14 C-A = 0.21 4.84 T-G = 0.13(I) -0.40(II) 2.99(I) -9.22(II) ** T-C = -0.14 -3.22 A-G = -0.27 -6.22 * T-T = 0.02(I) -0.16(II) 0.46(I) -3.68(II) ** C-C = -0.01(I) -0.14(II) -0.23(I) -3.22(II) ** A-A = 0.23 5.30 * G-G = 0.54 12.45 * (*) These energies correspond to free purine-purine pairs, however when they are embedded in a double helix, these base pairs strongly disturb the double helix configuration and become energetically forbidden (**) Cases (I) y (II) correspond to the two configurations that can adopt these bases. The cases (II) are forbidden in a double helix configuration, whereas cases (I) are not.

Energías que afectan la estabilidad de la vecindad de nucleótidos Energías de enlace Enlace covalente Energía angular de enlace Energía de ángulo dihedro Energías de no-enlace Electrostática Van der Waals Puentes de Hidrógeno Efecto hidrofóbico Magnetostáticas

Simular un proceso de replicaciones consecutivas por muchas generaciones en donde se modelan mutaciones puntuales

Clases de ADN ADN funcional codante ADN funcional no-codante (promotores, enhancers, intrones, genes ribosomales, etc.) ADN no-funcional (basura)

Criterios de viabilidad para las mutaciones puntuales (Presión de selección nula) Cladogénesis (especiación) ADN funcional codante: conserv. Fam. Aminoac. ADN funcional no-codante: ??? ADN no-funcional: Ninguna restricción Anagénesis (envejecimiento) ADN funcional codante: conserv. Aminoac.

Variaciaón del %GC en el tiempo Restricción: Conservación del AA y de la familia de AA

Cladogénesis a partir de anagénesis…

Efecto de la Temperatura sobre la variación del contenido de GC P´(X = M ) -----------> 1 , when T increases. P´(X = N )

Variación del %GC en cada posición de codón Restricción: Conservación de familia de AA

Energía de los tripletes de AND en función de la vecindad

Evidencias para contrastar la ‘Hipótesis de la Presión Termodinámica’

EVOLUCIÓN IN VITRO POR INTERMEDIO DE PCR

Incremento de GC en el experimento de Briones

Evolución in-vitro por PCR en frío… aumentará el %GC ? Los seleccionistas sostienen que el incremento del %GC observado en el experimento de Briones se debería a que la taq polimerasa es una isoforma adaptada a condiciones de altas temperaturas y de manera natural ‘prefiere’ acumular bases G y C

Variación del %GC para cada posición de codon reportado en Trypanosomatidos (Alonso et al,1992)

Usaje de Codones en kinetoplastida leucine

Filogenia del linaje de kinetoplastida (Maslov & Simpson) 0 Euglena 1 T.borelli or Bodo 2 T.brucei 3 T.cruzi or T. sp 4 Blastocrithidia 5 Phytomona or Herpetomona 6 Leishmania or Endotripanosoma 7 Crithidia or Leptomona

Reconstrucción de los ‘ancestros extintos’ (nodos), utilizando el gen GPDH /----------------------------------------------- T.brucei /-------14 | \------------------------------ T.cruzi | | /-------- Leptomonas | /-----9 | | \-------- Crithidia | /------------10 13 | \---------------- L.mexinana | /-----------11 | | \------------------ Herpetomonas +-------------------12 | \------------------- Phytomonas \--------------------------------------------- T.borreli

Variación del %GC estimado para cada posición de codón en los kinteplastida

Crithidia Usaje de Codón versus Estabilidad de Codón 1st most stable *** 2nd most stable ***

Evolución del gen de proteasa del VIH +--------Piw00p03 +--------------------------------------3 ! ! +-----Piw00p04 ! +--4 ! ! +--Piw00p07 ! +--5 ! +--Piw00p02 ! ! +--------Piw16p06 +--2 +-------------------------17 ! ! ! ! +-----Piw16p04 ! ! ! +-16 ! ! ! ! +--Piw16p03 ! ! ! +-15 ! ! ! +--Piw16p02 ! ! ! ! ! ! +-----------------Piw16p01 ! ! ! ! ! +----------14 +-13 +--Piw12p05 ! ! ! ! +----------11 ! ! ! ! ! +--Piw12p03 --1 ! ! +--9 ! ! ! ! +--------Piw12p06 ! ! ! +----12 ! ! +--7 ! +-----Piw12p04 ! ! ! ! +-10 ! ! ! ! ! +--Piw12p02 ! ! ! ! +--8 ! +-----------6 ! +--Piw12p01 ! ! ! ! ! +--------------------Piw00p08 ! ! ! +-----------------------Piw00p01 +--------------------------------------------------Hiv89

Variación temporal del %GC en el gen de proteasa HIV

Regla de Paridad 2 (PR2) Leyes de Chargaff 1ra regla de paridad (%A=%T y %G=%C) en las dos hebras del ADN 2da regla de paridad (%A=%T y %G=%C) en cada hebra del ADN

PR2: ADN No funcional/No codante

PR2: ADN Codante

Presión termodinámica durante la síntesis del ARN?